CN115467808A - 一种热泵增强型低温压缩空气储能系统 - Google Patents

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徐玉杰
张华良
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Abstract

本发明提供的一种热泵增强型低温压缩空气储能系统，属于电能储存技术领域，包括：压缩机组、间冷器、膨胀机组、再热器和热泵；本发明的热泵增强型低温压缩空气储能系统，利用热泵对压缩机组末级压缩热进行回收，提升先进绝热压缩空气储能系统透平入口温度，有效提高系统效率和运行调节范围，突破现有基于多级低温压缩的先进绝热压缩空气储能系统效率低和变工况范围窄的技术瓶颈。

Description

一种热泵增强型低温压缩空气储能系统
技术领域
本发明涉及电能储存技术领域，具体涉及一种热泵增强型低温压缩空气储能系统。
背景技术
电力储能技术能够实现电能在时间和空间上的调节，能够大幅提升可再生能源的并网率，增强可再生能源电力的稳定性与可调节性，是能源革命的关键技术。压缩空气储能系统为一种与抽水蓄能相近、具有大规模、低成本特点的储能技术。
先进绝热压缩空气储能系统中既有压力能存储又有热能存储，二者相互影响相互制约。现有的高总压比压缩机通常采用多级压缩级间冷却的方式设计，以降低压缩机整机功耗，压缩机排气温度通常在90℃左右。在先进绝热压缩空气储能系统中，由于没有外热源，储热温度受压缩机排气温度限制，进一步限制膨胀机入口温度，压缩机排气温度成为系统效率提升的关键限制因素。此外，压缩机/膨胀机变工况运行范围有限，当负荷低于70％时压缩/膨胀效率明显下降，还存在喘振的风险，限制了先进绝热压缩空气储能系统在实际运行过程中的运行调节能力。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的由于没有外热源，储热温度受压缩机排气温度限制，进一步限制膨胀机入口温度，压缩机排气温度成为系统效率提升的关键限制因素的缺陷，同时也限制了系统运行调节范围，从而提供一种热泵增强型低温压缩空气储能系统。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种热泵增强型低温压缩空气储能系统，包括：
压缩机组，具有通过管路连接的第一压缩机组和第二压缩机组；每组所述压缩机组具有通过管路依次连接的多个压缩机；
间冷器，具有多个，设置在所述压缩机的出口端；所述间冷器具有高温侧和低温侧；所述间冷器的高温侧的进口端与压缩机的出口端连通；末端间冷器的高温侧的出口端与储气室的进口连通；
与第一压缩机组的压缩机对应设置的间冷器的低温侧的两端分别与流体源和中温热罐的进口连通；与第二压缩机组的压缩机对应设置的间冷器的低温侧的两端与热泵的两端连通；
所述中温热罐的出口端通过管路经过热泵后与高温热罐的进口连通设置；
膨胀机组，具有至少两个通过管路依次连通的膨胀机；
再热器，具有多个，设置在所述膨胀机的入口端；所述再热器具有高温侧和低温侧；所述再热器的高温侧的入口端与所述高温热罐的出口连通；所述再热器的低温侧的入口端与所述储气室的出口连通，所述再热器的低温侧的出口端与所述膨胀机的入口端连通。
作为优选方案，所述第一压缩机组中包括两个压缩机；所述第二压缩机组中包括两个压缩机。
作为优选方案，所述流体源与所述间冷器之间设置有第一驱动泵。
作为优选方案，所述中温热罐和所述热泵之间设置有第二驱动泵。
作为优选方案，所述热泵和所述间冷器之间设置有第三驱动泵。
作为优选方案，所述高温热罐和所述再热器之间设置有第四驱动泵。
作为优选方案，所述储气室的出口与所述再热器之间设置有调节阀。
作为优选方案，所述膨胀机组包括两个膨胀机。
作为优选方案，所述热泵为双驱型热泵。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的热泵增强型低温压缩空气储能系统，包括：压缩机组、间冷器、膨胀机组和再热器；
在用电低谷时，低谷电通过电动机驱动压缩机采用多级压缩级间冷却的方式将空气压缩至高压状态，高压空气冷却之后储存在储气室中。冷却水进入到1、2级间冷器回收1、2级压缩热，并将压缩热储存在中温热罐中。热泵会消耗部分低谷电并回收3、4级压缩热，将中温热水转换为高温热水，高温热水储存在高温热罐中。
用电高峰时，储存在高温热罐中的水进入再热器加热空气。储气室中的高压空气进入再热器升温，升温后的高温高压空气进入膨胀机，膨胀机将空气中的压力能转换为机械能，膨胀机的机械能通过发电机发电。
因此，通过热泵的设置可以提升膨胀机的入口温度，提升了储能系统的效率。此外，通过储能过程中是否开启热泵，能够调节系统电输入，从而调节储能功率，并同时调节高温储热温度，进而调节膨胀机发电量。本发明系统不但能提高先进绝热压缩空气储能系统效率，还能同时拓宽系统变工况运行范围。
2.本发明提供的热泵增强型低温压缩空气储能系统，还包括第一驱动泵、第二驱动泵、第三驱动泵和第四驱动泵；通过驱动泵的设置增加了循环水的流动速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的热泵增强型低温压缩空气储能系统的结构示意图。
附图标记说明：
1、压缩机；2、第一压缩机组；3、第二压缩机组；4、间冷器；5、中温热罐；6、热泵；7、高温热罐；8、再热器；9、膨胀机；10、储气室；11、第一驱动泵；12、第二驱动泵；13、第三驱动泵；14、第四驱动泵；15、调节阀。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本实施例提供一种热泵增强型低温压缩空气储能系统，包括：压缩机组、间冷器4、膨胀机9组和再热器8；具体的，压缩机组具有通过管路连接的第一压缩机组2和第二压缩机组3；每组压缩机组具有通过管路依次连接的多个压缩机1；在每个压缩机1的出口端均设置有一个间冷器4。间冷器4具有高温侧和低温侧；间冷器4的高温侧的进口端与压缩机1的出口端连通，前端所有的间冷器4的高温侧的出口端与下一级的压缩机的进口端连通，而最末端的间冷器4的高温侧的出口端与储气室10的进口连通。
与第一压缩机组2的压缩机对应设置的间冷器4的低温侧的两端分别与流体源和中温热罐5的进口连通；一般情况下，流体优选为水；即在使用的过程中，流体从间冷器4的低温侧的进口端进入，与高温侧内的高温气体进行换热后进入到中温热罐5中。
与第二压缩机组3的压缩机对应设置的间冷器4的低温侧的两端与热泵6的两端连通；即通过间热器将压缩机中气源的热量提供给热泵6，供热泵6系统消耗，而热泵6将中温热罐5中的温水转换成高温热水，然后储存在高温热罐7中。
膨胀机9组具有至少两个通过管路依次连通的膨胀机9；每个膨胀机9的入口端设置有一个再热器8。再热器8具有高温侧和低温侧，再热器8的高温侧的入口端与高温热罐7的出口连通，出口端与接收容器连通；再热器8的低温侧的入口端与储气室10的出口连通，出口与膨胀机9的入口端连通。即高温热罐7中热水的热量通过再热器8对储气室10中的气体进行加热，被加热后的气体提供给膨胀机9进行做功。
通过热泵的设置可以提升膨胀机的入口问题温度，提升了储能系统的效率。此外，通过储能过程中是否开启热泵，能够调节系统电输入，从而调节储能功率，并同时调节高温储热温度，进而调节膨胀机发电量。本发明系统不但能提高先进绝热压缩空气储能系统效率，还能同时拓宽系统变工况运行范围。
进一步，在本方案中，第一压缩机组2包括两个压缩机，第二压缩机组3中包括两个压缩机。膨胀机9组包括两个膨胀机9。
进一步，在流体源和间冷器4之间设置有第一驱动泵11。
在中温热罐5和热泵6之间设置有第二驱动泵12。
在热泵6和间冷器4之间设置有第三驱动泵13。
在高温热罐7和再热器8之间设置有第四驱动泵14。
在储气室10的出口和再热器8之间设置有调节阀15。
在本方案中，使用的热泵6为双驱型热泵6。
使用方法及原理
在用电低谷时，低谷电通过电动机驱动压缩机采用多级压缩级间冷却的方式将空气压缩至高压状态，高压空气冷却之后储存在储气室10中。冷却水进入到1、2级间冷器4回收1、2级压缩热，在第一驱动泵11的驱动下并将压缩热储存在中温热罐5中。双驱型热泵6系统消耗部分低谷电并回收3、4级压缩热，将中温热罐5中的中温热水转换为高温热水，高温热水储存在高温热罐7中。
用电高峰时，储存在高温热罐7中的水进入再热器8加热空气。储气室10中的高压空气进入再热器8升温，升温后的高温高压空气进入膨胀机9，膨胀机9将空气中的压力能转换为机械能，膨胀机9的机械能通过发电机发电。
利用热泵对压缩机组末级压缩热进行回收，提升先进绝热压缩空气储能系统透平入口温度，有效提高系统效率和运行调节范围，突破现有基于多级低温压缩的先进绝热压缩空气储能系统效率低和变工况范围窄的技术瓶颈。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种热泵增强型低温压缩空气储能系统，其特征在于，包括：
压缩机组，具有通过管路连接的第一压缩机组(2)和第二压缩机组(3)；每组所述压缩机组具有通过管路依次连接的多个压缩机；
间冷器(4)，具有多个，设置在所述压缩机的出口端；所述间冷器(4)具有高温侧和低温侧；所述间冷器(4)的高温侧的进口端与压缩机的出口端连通；末端间冷器(4)的高温侧的出口端与储气室(10)的进口连通；
与第一压缩机组(2)的压缩机对应设置的间冷器(4)的低温侧的两端分别与流体源和中温热罐(5)的进口连通；与第二压缩机组(3)的压缩机对应设置的间冷器(4)的低温侧的两端与热泵(6)的两端连通；
所述中温热罐(5)的出口端通过管路经过热泵(6)后与高温热罐(7)的进口连通设置；
膨胀机(9)组，具有至少两个通过管路依次连通的膨胀机(9)；
再热器(8)，具有多个，设置在所述膨胀机(9)的入口端；所述再热器(8)具有高温侧和低温侧；所述再热器(8)的高温侧的入口端与所述高温热罐(7)的出口连通；所述再热器(8)的低温侧的入口端与所述储气室(10)的出口连通，所述再热器(8)的低温侧的出口端与所述膨胀机(9)的入口端连通。
2.根据权利要求1所述的热泵增强型低温压缩空气储能系统，其特征在于，所述第一压缩机组(2)中包括两个压缩机；所述第二压缩机组(3)中包括两个压缩机。
3.根据权利要求1所述的热泵增强型低温压缩空气储能系统，其特征在于，所述流体源与所述间冷器(4)之间设置有第一驱动泵(11)。
4.根据权利要求1所述的热泵增强型低温压缩空气储能系统，其特征在于，所述中温热罐(5)和所述热泵(6)之间设置有第二驱动泵(12)。
5.根据权利要求1所述的热泵增强型低温压缩空气储能系统，其特征在于，所述热泵(6)和所述间冷器(4)之间设置有第三驱动泵(13)。
6.根据权利要求1所述的热泵增强型低温压缩空气储能系统，其特征在于，所述高温热罐(7)和所述再热器(8)之间设置有第四驱动泵(14)。
7.根据权利要求1所述的热泵增强型低温压缩空气储能系统，其特征在于，所述储气室(10)的出口与所述再热器(8)之间设置有调节阀(15)。
8.根据权利要求1所述的热泵增强型低温压缩空气储能系统，其特征在于，所述膨胀机(9)组包括两个膨胀机(9)。
9.根据权利要求1所述的热泵增强型低温压缩空气储能系统，其特征在于，所述热泵(6)为双驱型热泵(6)。
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